【整理】课堂新坐标2016_2017高中数学第2章圆锥曲线2.3柱面与平面的截面2.4平面截圆锥面学
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- 1 - §3柱面与平面的截面
§4平面截圆锥面
1.了解柱面、旋转面、圆锥面的形成过程.
2.了解平面截圆柱面所得交线为圆或椭圆.
3.了解平面截对顶圆锥面所得交线为圆、椭圆、双曲线和抛物线.
[基础·初探]
教材整理1 柱面与平面的截面
(1)柱面、旋转面
①圆柱面
如图2-3-1①所示,圆柱面可以看成是一个矩形ABCD以一边CD所在的直线为轴,旋转
一周后AB边所形成的曲面.
图2-3-1
②旋转面
如图2-3-1②所示,平面上一条曲线C
绕着一条直线l
旋转一周后所形成的曲面称为旋
转面.
(2)垂直截面
用垂直于轴的平面截圆柱面,所得的交线为一个圆.
(3)一般截面
当截面与圆柱面的轴不垂直时,所得交线为椭圆.
1.用一个平面去截一个圆柱面,其交线是( )
A.圆B.椭圆
- 2 - C.两条平行线D.以上均可能
【解析】当平面垂直于圆柱面的轴时,交线为圆;当平面与圆柱面的轴平行时,交线
为两条平行线,当平面与圆柱面的轴不平行也不垂直时,交线为椭圆,故选D.
【答案】D
教材整理2 平面截圆锥面
(1)圆锥面
取直线l
为轴,直线l
′与l
相交于点O
,其夹角为σ(0°<σ<90°),l
′绕l
旋转
一周得到一个以O为顶点,l′为母线的圆锥面.
(2)垂直截面
当截面与圆锥面的轴垂直时,所得的交线是一个圆.
(3)一般截面
定理:在空间,直线l
′与l
相交于点O
,其夹角为σ,l
′绕l
旋转一周得到以O
为顶
点,l
′为母线的圆锥面,任取平面β,若它与轴l
的交角为θ,则
①当θ>σ时,平面β与圆锥面的交线为椭圆;
②当θ=σ时,平面β与圆锥面的交线为抛物线;
③当θ<σ时,平面β与圆锥面的交线为双曲线.
2.用一个过圆锥面顶点的平面去截圆锥面,则交线为( )
【导学号:96990047】
A.椭圆B.双曲线
C.抛物线D.两条相交直线
【答案】D
3.一圆锥面的母线和轴线成30°角,当用一与轴线成30°的不过顶点的平面去截圆锥面
时,所截得的截线是( )
A.椭圆B.双曲线
C.抛物线D.两条相交直线
【解析】如图所示,可知应为抛物线.
- 3 - 【答案】C
[质疑·手记]
预习完成后,请将你的疑问记录,并与“小伙伴们”探讨交流:
疑问1:
解惑:
疑问2:
解惑:
疑问3:
解惑:
[小组合作型]
平面与圆柱面交线性质的应用
圆柱的底面半径为5,高为5,若一平行于轴的平面截圆柱得一正方形,求轴到
截面的距离.
【精彩点拨】将题目中给出的关系转化为线面关系求解.
【自主解答】如图所示,
ABCD
为边长为5的正方形,
连接OC,OD,∴△OCD为等边三角形.
设CD
的中点为E
,连接OE
,
则OE
⊥CD
,且OE
=5
23,
又AD
⊥上底面,∴AD
⊥OE
,故OE
⊥平面ABCD
,故OE
为轴到截面的距离,∴轴到截面的
距离为5
23.
- 4 - 1.解答本题时,应根据线面关系作出线面距.
2.当圆柱面的截面平行于轴或垂直于轴时,利用点、线、面关系可解决.
[再练一题]
1.如图2-3-2所示,圆柱面的母线长为2 cm,点O,O′分别是上、下底面的圆心.若
OA
⊥O
′B
′,OA
=1 cm.求:
图2-3-2
(1)OO
′与AB
′所成的角的正切值;
(2)过AB
′与OO
′平行的截面面积;
(3)O
到截面的距离.
【解】(1)设过A
的母线为AA
′,则OO
′∥AA
′,OO
′A
′A
是矩形.易知△O
′B
′A
′
是等腰直角三角形,∴A
′B
′=2.
又AA′=2,OO′与AB′所成的角为∠B′AA′,
∴tan ∠B
′AA
′=A
′B
′
AA′=2
2.
(2)所求截面为矩形AA
′B
′B
,面积等于22 cm2
.
(3)O
到截面的距离即OO
′到截面的距离,也是O
′到截面的距离为2
2 cm.
平面与圆锥面交线性质的应用
如图2-3-3所示,AB
,CD
是圆锥面的正截面(垂直于轴的截面)上互相垂直的两
条直线,过CD
和母线VB
的中点E
作一截面.已知圆锥侧面展开图扇形的中心角为2π,求截
面与圆锥的轴线所夹的角的大小,并说明截线是什么曲线.
图2-3-3
【精彩点拨】求圆锥顶角――――→据OE
∥VA
求∠VOE
――→等角
结论:抛物线
- 5 - 【自主解答】设⊙O
的半径为R
,母线VB
=l
,则圆锥侧面展开图的中心角为2πR
l=2
π,
∴R
l=2
2,∴sin∠BVO
=2
2.
∴圆锥的母线与轴的夹角σ=∠BVO
=π
4.
∵O
,E
分别是AB
,VB
的中点,
∴OE
∥VA
.
∴∠VOE=∠AVO=∠BVO=π
4,∴∠VEO=π
2,即VE⊥OE.
又∵AB
⊥CD
,VO
⊥CD
,∴CD
⊥平面VAB
.
∵VE
?平面VAB
,∴VE
⊥CD
.
又∵OE
∩CD
=O
,
∴VE
⊥平面CDE
,∴OE
是VO
在平面CDE
上的射影.
∴∠VOE
是截面与轴线的夹角,∴截面轴线夹角大小为π
4.
由圆锥的半顶角与截面与轴线的夹角相等,知截面CDE
与圆锥面的截线为一抛物线.
1.解答本题的关键是求出截面与轴的夹角以及母线与轴的夹角.
2.判断平面与圆锥面交线形状的方法
(1)求圆锥面的母线与轴线的夹角σ,截面与轴的夹角θ;
(2)判断σ与θ的大小关系;
(3)根据定理判断截线是什么曲线.
[再练一题]
2.如图2-3-4所示,平面ABC
是圆锥面的正截面,PAB
是圆锥的轴截面,已知∠APC
=60°,
∠BPC
=90°,PA
=4.
图2-3-4
(1)求二面角A
-PC
-B
的余弦值;
- 6 - (2)求正截面圆圆心O
到平面PAC
的距离.
【解】(1)∵∠APC=60°,
∴△APC
为等边三角形.
如图所示,分别取PC
,BC
的中点D
,E
,连接AD
,DE
,则AD
⊥PC
,
DE∥PB.
又PB
⊥PC
,∴DE
⊥PC
.
故∠ADE
为二面角A
-PC
-B
的平面角.
连接AE,在Rt△ACE中,求得AE2
=24.
又AD
=3
2PA
=23,DE
=1
2PB
=2,在△ADE
中,由余弦定理,得
cos∠ADE=-3
3.
(2)取AC
的中点F
,连接PF
,OF
,则AC
⊥平面POF
,从而平面PAC
⊥平面POF
.
过O点作OH⊥PF,垂足为H,则OH⊥平面PAC,故OH的长为O点到平面PAC的距离.
在Rt△ACB
中,AC
=PA
=4,BC
=2PB
=42,从而AB
=43,OP
=2.
在Rt△POF中,OF=1
2BC=22,OP=2,PF=3
2PA=23,由面积关系,
得OH
=OF·OP
PF=26
3.
即O
点到平面PAC
的距离为2
36.
[探究共研型]
截面的图形特征
探究1 平面β截圆柱面,β与圆柱面的轴的夹角θ变化,所截出的椭圆有什么变化?
【提示】θ变化不影响椭圆的短轴,θ越小,长轴越长,椭圆越扁,离心率越大.
探究2 若平面与圆柱面轴的夹角为θ,圆柱面的半径为r
,则平面截圆柱面所得的椭
圆的长轴长2a
,短轴长2b
,离心率e
的值如何用θ,r
表示?
【提示】由两焦球球心距离等于截得椭圆的长轴长,故2a
=2r
sin θ,椭圆的短轴长2b
=2r
,离心率e
=c
a=cos θ.
如图2-3-5,已知球O
1,O
2分别切平面β于点F
1,F
2.G
1G
2=2a
,
Q
1Q
2=2b
,G
1G
2与Q
1Q
2垂直且互相平分,求证:F
1F
2=2a2
-b2
.
【自主解答】连接AB
,过G
1作G
1H
⊥BG
2,H
为垂足,则四边形ABHG
1是
矩形,∴G
1H=AB.